СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСТРУЗИВНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ МАССЫ Российский патент 2022 года по МПК D21B1/16 D21B1/30 

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности, в частности к технологии изготовления термомеханической древесной массы для бумаги офисной, писче-печатной, упаковочной и тарного картона с применением двухшнековой экструзии.

Известен способ получения волокнистого полуфабриката из щепы [Технология целлюлозно-бумажного производства. Т.1. Сырье и производство полуфабрикатов. Часть 3. Производство полуфабрикатов / Пузырев С.С., Виролайнен Э.В., Поляков Ю.А., Кряжев A.M.//СПб: Политехника, 204. - 316 с.], преимущественно еловой и осиновой древесины, включающий операции предварительного прогрева щепы паром до температуры 80-90°С, пропитки щелочным раствором гидроксида натрия и/или гидросульфита натрия с расходом 1-5% от массы абсолютно сухой древесины, термогидролитической обработки (скоростная варка) при температуре 120-135°С в течение 2-5 мин, предварительного горячего размола щепы в дисковом рафинере 1 ступени, размола в дисковых рафинерах в 2-3 ступени, разбавления, сортирования и очистки волокнистого полуфабриката.

Положительными особенностями способа являются:

- высокий выход волокнистого полуфабриката из древесины 88-95%;

- повышение пластичности древесины с последующей более легкой дефибрируемостью в волокнистую массу;

- небольшая доля растворения компонентов древесины, снижающая проблему очистки оборотной воды.

Недостатком известного способа является высокая жесткость и недостаточная белизна волокна.

Известен способ получения волокнистого полуфабриката из щепы древесины тополя [Технология механической массы из щепы: учеб. пособие/Комаров В.И., Миловидова Л.А., Пузырев С.С., Чижов Г.И.//Из-во: Архангельский лесотехнический институт, Архангельск, 1991. - 76 с.], включающий размол щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis при температуре 90°С, концентрации волокнистой суспензии 25%, с одновременной обработкой щепы едким натром с расходом 5-7% и перекисью водорода 1-3%, размол массы в дисковых рафинерах, снятие латентности в течение 60 мин. Положительными особенностями способа являются:

- высокий выход волокнистого полуфабриката из древесины 85-95%;

- повышение пластичности древесины с последующей более легкой дефибрируемостью в волокнистую массу;

- небольшая доля растворения компонентов древесины, снижающая проблему очистки оборотной воды;

- разрывная длина образцов бумаги из массы 2500-3600 м, белизна массы 60-65%.

Недостатком известного способа является:

- использование только древесины тополя;

- очень длительный процесс снятия латентности 60 мин, высокая жесткость и низкая белизна волокна.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения волокнистого полуфабриката из щепы древесины тополя (прототип) [Оборудование для подготовки целлюлозно-бумажной массы. Оборудование для очистки сточных вод/материалы фирмы «Zibo Jepps Trading Co. Ltd». Zhangdian, Zibo, Shandong, China. - 2018. - 11 с.], включающий операции: предварительная обработка щепы раствором гидроксида натрия с расходом 4% от массы абсолютно сухой древесины (м.а.с.д.) в течение не менее 8 часов (варка на холоду в растворе NaOH, концентрация щелочи 5%); размол щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis при температуре 90-95°C с одновременной обработкой растворами: 27% перекиси водорода (Н₂О₂) с расходом 3% от м.а.с.д., 29% жидкого стекла (Na₂O•SiO₂)_n с расходом 4% от м.а.с.д., 5% диэтилентриамин-пентаацетата натрия (ДТПАNa₅) с расходом 0,4% от м.а.с.д., в волокнисто-костричную массу (ВКМ), концентрацией 32-37%; размол ВКМ в массу грубого помола (МГП) в дисковых рафинерах в две ступени при высокой концентрации массы (32-37%) с выдержкой массы в 1-м реакторе перед 1 ступенью размола и во 2-м реакторе между ступенями размола в каждом в течение 20 мин, разбавления массы оборотной водой при температуре 35-40°С до средней концентрации 6-7% и выдержки массы для снятия латентности 30-35 мин; размол МГП в массу конечной степени помола (26-28°ШР) в дисковых рафинерах в две ступени при средней концентрации массы (6-7%); сгущения массы до сухости 37-40%.

Положительными особенностями способа являются:

- высокий выход волокнистого полуфабриката из древесины 80-85%;

- высокая пластичность древесины, обеспечивающая более легкую дефибрируемость в волокнистую массу;

- сравнительно малая доля растворения компонентов древесины (7-10%), не требующая больших затрат для очистки оборотной воды;

- разрывная длина образцов бумаги из массы 2500-3600 м, белизна массы 65-70%.

Недостатком известного способа является:

- ограничение использования пород только древесиной тополя, проблематичность получения волокна из щепы лиственных и хвойных пород древесины с высокими показателями разрывной длины;

- одновременная подача полной дозы всех 4-х химикатов в экструдер, резко снижающая их эффективность и необоснованно повышающая удельный расход, из-за взаимных реакций;

- длительный процесс снятия латентности - 30 мин;

- низкая белизна волокна

Изобретение решает задачу использования для производства экструзивной термомеханической массы осиновой, березовой, еловой и сосновой древесины, увеличения разрывной длины до 3700-4500 м и белизны массы до 75-80%) при сохранении выхода 80-85%.

Технический результат заключается в повышении механической прочности и белизны - показателей «разрывная длина» и «белизна», химико-термомеханической массы из осиновой, березовой, еловой и сосновой древесины, за счет снижения межклеточных сил связи в древесной ткани в зоне сложной срединной пластинки «слой S₃-слой P-слой S₃», снижения силы связи «углеводы-лигнин» в клеточных стенках (слои S₁ S₂ S₃), углубления реакции обесцвечивания образующихся хромофорных групп в структуре лигнина. Экономический результат - это снижение ресурсных расходов на 30-40%, по сравнению с классической технологией производства химико-термомеханической массы.

Для достижения указанного технического и экономического результата, предлагается способ изготовления экструзивной термомеханической массы, включающий операции обработки щепы лиственных пород древесины, хвойных пород древесины или их смеси раствором гидроксида натрия, размола щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis с одновременной обработкой растворами перекиси водорода, жидкого стекла и диэтилентриаминпентаацетата натрия (ДТПАNa₅) в волокнисто-костричную массу, размола волокнисто-костричной массы в дисковых рафинерах в массу грубого помола с выдержкой массы в первом реакторе перед первой ступенью размола и во втором реакторе после третьей ступени размола, разбавления массы грубого помола оборотной водой, выдержки разбавленной массы грубого помола для снятия латентности, размола разбавленной массы грубого помола в дисковых рафинерах, сгущения полученной массы, отличающийся тем, что:

- щепу обрабатывают раствором гидроксида натрия с расходом 4% от массы абсолютно сухой древесины (м.а.с.д.) концентрацией 5% и первой половиной задаваемого в процесс диэтилентриаминпентаацетата натрия (ДТПАNa₅) с расходом 0,2% от м.а.с.д., концентрацией 5%, в сочетании с прогревом реакционной смеси паром до температуры 70-80°С и выдержкой в течение 4-5 часов;

- размол щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis осуществляют при температуре 95-100°С и одновременной обработкой растворами первой половины задаваемой в процесс 27% перекиси водорода с расходом 1,5% от м.а.с.д., 29% жидкого стекла с расходом 4% от м.а.с.д. и второй половиной задаваемого в процесс диэтилентриаминпентаацетата натрия, с расходом 0,2% от м.а.с.д. концентрацией 5%, в волокнисто-костричную массу концентрацией 32-37%;

- размол волокнисто-костричной массы в массу грубого помола в дисковых рафинерах осуществляют при концентрации массы 32-37% последовательно в 3 ступени, выдержку массы в первом реакторе перед первой ступенью размола осуществляют в течение 20 мин, выдержку массы во втором реакторе осуществляют в реактор-башне после третьей ступени размола в течение 20 мин;

- в волокнисто-костричную массу перед первой ступенью размола подают вторую половину задаваемой в процесс 27% перекиси водорода с расходом 1,5% от м.а.с.д.;

- разбавление массы грубого помола осуществляют до концентрации 8-9% оборотной водой, подогретой до температуры 70-80°С, при этом разбавленную массу выдерживают для снятия латентности в течение 15-20 мин;

- размол разбавленной массы грубого помола проводят до степени помола в интервале 30-40° ШР при концентрации 8-9% в дисковых рафинерах последовательно в 3 ступени;

- сгущение полученной массы осуществляют до сухости 37-50%).

Перед переработкой щепы, древесина осины, березы, ели или сосны рубится в щепу заданных размеров, свойства которой отличается исходными породами древесины. Высокая удельная плотность древесины березы и различная морфология всех пород, обуславливают необходимость учета свойств пород древесины в производственном цикле переработки щепы в экструзивную термомеханическую древесную массу (ЭТММ).

Волокнисто-костричная масса из экструдера выходит со сравнительно высокой белизной - до 72%. Эффект оказывает выведение связыванием в комплексы тяжелых металлов и марганца диэтилентриаминпентаацетатом натрия до размола и при размоле в экструдере, обеспечивающего сохранение заданной концентрации перекиси водорода а, следовательно, высокой его отбеливающей активности.

Волокнисто-костричная масса из экструдера подается в горизонтальный реактор, в котором выдерживается 20 мин для завершения химических реакций в ее структуре.

Из реактора волокнисто-костричная масса направляется на размол последовательно в 3 рафинера высокой концентрации. В массу перед 1-м рафинером подается перекись водорода (50%, вторая часть от задаваемой в процесс). Эффект от этого решения позволяет перекиси полнее и быстрее проникать в получаемое волокно более тонкого помола, активнее и эффективнее обесцвечивать хромофорные группы и повышать белизну массы.

Пройдя 3 рафинера масса грубого помола поступает в реактор-башню, в которой выдерживается еще 20 мин для углубления процесса отбелки. После реактор-башни масса поступает в бассейн снятия латентности. Для этого масса разбавляется горячей оборотной водой 70-80°С до концентрации 8-9% и выдерживается в течение 15-20 мин. Решение, которое предусмотрено в этом процессе - это нагрев воды. Температура ускоряет снятие латентности, углубляет отбелку и повышает эластичность волокна перед размолом при средней концентрации.

Из бака снятия латентности масса направляется на размол последовательно в 3-х дисковых рафинерах средней концентрации (8-9%). Пройдя рафинеры, масса окончательно размалывается до требуемых пределов степени помола 30-40°ШР.

Окончательным процессом получения ЭТММ является обезвоживание, которое осуществляется до сухости 37-50%.

В изобретении предлагаются решения, обеспечивающие технический и экономический результат для получения ЭТММ требуемого качества из всех пород древесины.

Механическая прочность массы (волокна), которая в данном изобретении представлена показателем «разрывная длина», определяется сохранностью геометрических размеров (длины, ширины) волокна, разработанностью поверхности (фибриллированностью) волокна и содержанием лигнина. Чем лучше сохранены размеры, фибриллированнее поверхность и меньше лигнина, тем прочнее волокно [Комплексная химическая переработка древесины: учебник для вузов/И.Н. Ковернинский, В.И. Комаров, С.И. Третьяков, и др. - Архангельск: Изд-во Архан: гос. техн. ун-та. 2006. - 374 с.].

Белизна волокна зависит от содержания лигнина и хромофорных структур, чем меньше и того, и другого, тем выше белизна [Современная технология отбелки волокнистых полуфабрикатов: аналитический обзор. Т.1. Отбеливающие реагенты. Теоретические основы отбелки/ А. Аввакумова, Ю. Баста, Т. Быстрова и др. - СПб: Из-во Лесотехнической академии. - 1998. 131 с.].

Гидроксид натрия в сочетании с температурой и продолжительностью действия 4-5 часов, пропитывает щепу, проникая к реакционно активным центрам всех химических компонентов древесины. Концентрация щелочи 5% и температура 70-80°С оказывают мягкое воздействие на компоненты продолжительное время, в результате протекают реакции щелочного ограниченного набухания углеводов и лигнина, деструкции низкомолекулярных веществ и их растворение, отщепление части функциональных групп (метиловых, ацетильных, растворение экстрактивных веществ), частичная деструкция высокополимерной углеводной и лигнинной частей [Д. Фенгел, Г. Вегенер. Древесина: химия, ультраструктура, реакции: Пер. с англ. - М.: Лесн. Пром-сть, 1988. - 512 с.]. Эти реакции обуславливают растворение древесной ткани в пределах 7-10%, что дает выход ЭТММ 93-97%) от м.а.с.д.

Мягкий режим обработки древесины с растворением 7-10% ее вещества, способствует высокой сохранности геометрических размеров волокна в древесной ткани, ослаблению межклеточной связи (размягчение и частичное растворение сложной срединной пластинки) и, как следствие, значительно облегчает расщепление древесины на волокно вдоль волокнистой структуры по межклеточному соединению (по срединной пластинке) при последующем размоле и существенно снижает расход энергии на размол древесины.

Предварительное, до подачи перекиси водорода, добавление к реакционной смеси 50% от удельного расхода диэтилентриаминпентаацетата натрия способствует активному связыванию ряда тяжелых металлов и марганца (Mn), которые с веществами древесины образуют стойкие цветные комплексы, не поддающиеся последующей перекисной отбелке, тем самим, понижая белизну волокна. Это решение направлено на повышение белизны.

Размол щепы в экструдере по режиму настоящего изобретения, оказывается высокоэффективным многофакторным процессом придания положительных свойств волокнисто-костричной массе. Это большой процент грубо размолотой древесины в виде волокна - до 70% и до 30% костры, не содержащей фрагментов сучков. В результате последующего размола в дисковых рафинерах, костра полностью фибриллируется на волокна и получаемая масса не требует очистки и сортирования. Такой эффект достигается сочетанием результатов стадии обработки щепы и размолом в присутствии комплекса химикатов - щелочи, второй части 50% диэтилентриаминпентаацетата натрия, силиката натрия, первой части 50% перекиси водорода и температуры, которая поднимается в результате сил трения до 95-100°С. Определяющую роль в процессе размола с разделением древесной ткани на волокна вдоль волокнистой структуры играет высокочастотная компрессия-декомпрессия, как результат быстрого вращения двухшнековой ножевой гарнитуры экструдера.

Отметим важность решения по размолу последовательно в три ступени при высокой и средней концентрации массы. Эффектом такого решения является достижения преимущественно фибриллирующего размола. Три ступени при концентрации 32-37% обеспечивают возможность размола древесной ткани на волокна с меньшим удельным давлением, обеспечивающим высокую эффективность вдоль волоконного разделения, а три ступени при концентрации 8-9% позволяют фибриллировать поверхность волокна. Оба эффекта существенно повышают разрывную длину волокна и улучшают другие важные свойства ЭТММ. Во всех случаях при размоле положительным фактором является высокая температура, развиваемая трением волокнистого субстрата и ножевой гарнитуры.

Технический результат комплекса решений по изобретению позволил достичь разрывной длины ЭХТММ в пределах 3700-4500 м и белизны - в пределах 75-80%, при сохранении выхода 80-85%.

Ниже приводятся примеры достигаемых показателей разрывной длины и белизны ЭХТММ по прототипу и заявленному изобретению. Испытания механических показателей массы проводили по ГОСТ 16296-79 [7] и ГОСТ ИСО 1924-1-96 [8]., а испытание белизны - по ГОСТ 30113-94 [9]. Испытывалась масса из древесины тополя (по прототипу) и масса, полученная по изобретению из осины, березы, ели и сосны.

Пример 1. Способ получения экструзивной термомеханической массы по прототипу

Для испытания массы из нее изготавливались отливки массой 70 г/м². Степень помола массы - 28°ШР. Разрывная длина - 2850 м. Белизна - 70%.

Пример 2. Способ получения экструзивной термомеханической массы по предложенному способу

Для испытания массы из осины изготовлены отливки массой 70 г/м². Степень помола массы - 30°ШР. Разрывная длина - 3750 м. Белизна - 77%.

Пример 3. Аналогично примеру 2

Для испытания массы из березы изготовлены отливки массой 70 г/м². Степень помола массы - 33°ШР. Разрывная длина - 4000 м. Белизна - 80%.

Пример 4. Аналогично примеру 3

Для испытания массы из ели изготовлены отливки массой 70 г/м². Степень помола массы - 40°ШР. Разрывная длина - 4500 м. Белизна - 85%.

Пример 5. Аналогично примеру 4

Для испытания массы из сосны изготовлены отливки массой 70 г/м². Степень помола массы - 36°ШР. Разрывная длина - 3800 м. Белизна - 75%.

Как видно из примеров, по сравнению с существующими способами, заявленное изобретение позволяет повысить механическую прочность и белизну ЭТММ.

Изобретение относится к целлюлозно-бумажной промышленности, а именно к способу изготовления термомеханической древесной массы для бумаги офисной, писче-печатной, упаковочной и тарного картона с применением двухшнековой экструзии. При этом способ включает операции обработки щепы лиственных пород древесины, хвойных пород древесины или их смеси раствором гидроксида натрия, размола щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis с одновременной обработкой растворами перекиси водорода, жидкого стекла и диэтилентриаминпентаацетата натрия (ДТПАNa₅) в волокнисто-костричную массу, размол волокнисто-костричной массы в дисковых рафинерах в массу грубого помола с выдержкой массы в первом реакторе перед первой ступенью размола и во втором реакторе после третьей ступени размола, разбавления массы грубого помола оборотной водой, выдержки разбавленной массы грубого помола для снятия латентности, размола разбавленной массы грубого помола в дисковых рафинерах, сгущения полученной массы, при этом щепу обрабатывают раствором гидроксида натрия с расходом 4% от массы абсолютно сухой древесины (м.а.с.д.) концентрацией 5% и первой половиной задаваемого в процесс диэтилентриаминпентаацетата натрия (ДТПАNa₅) с расходом 0,2% от м.а.с.д., концентрацией 5%, в сочетании с прогревом реакционной смеси паром до температуры 70-80°С и выдержкой в течение 4-5 часов; размол щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis осуществляют при температуре 95-100°С и одновременной обработкой растворами первой половины задаваемой в процесс 27% перекиси водорода с расходом 1,5% от м.а.с.д., 29% жидкого стекла с расходом 4% от м.а.с.д. и второй половиной задаваемого в процесс диэтилентриаминпентаацетата натрия, с расходом 0,2% от м.а.с.д. концентрацией 5%, в волокнисто-костричную массу концентрацией 32-37%; размол волокнисто-костричной массы в массу грубого помола в дисковых рафинерах осуществляют при концентрации массы 32-37% последовательно в 3 ступени, выдержку массы в первом реакторе перед первой ступенью размола осуществляют в течение 20 мин, выдержку массы во втором реакторе осуществляют в реактор-башне после третьей ступени размола в течение 20 мин; в волокнисто-костричную массу перед первой ступенью размола подают вторую половину задаваемой в процесс 27% перекиси водорода с расходом 1,5% от м.а.с.д.; разбавление массы грубого помола осуществляют до концентрации 8-9% оборотной водой, подогретой до температуры 70-80°С, при этом разбавленную массу выдерживают для снятия латентности в течение 15-20 мин; размол разбавленной массы грубого помола проводят до степени помола в интервале 30-40°ШР при концентрации 8-9% в дисковых рафинерах последовательно в 3 ступени; сгущение полученной массы осуществляют до сухости 37-50%. Технический результат заключается в повышении механической прочности и белизны - показателей «разрывная длина» и «белизна», химико-термомеханической массы из осиновой, березовой, еловой и сосновой древесины, за счет снижения межклеточных сил связи в древесной ткани в зоне сложной срединной пластинки «слой S₃-слой P-слой S₃», снижения силы связи «углеводы-лигнин» в клеточных стенках (слои S₁ S₂ S₃), углубления реакции обесцвечивания образующихся хромофорных групп в структуре лигнина. 5 пр.

Способ изготовления экструзивной термомеханической массы, включающий операции обработки щепы лиственных пород древесины, хвойных пород древесины или их смеси раствором гидроксида натрия, размола щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis с одновременной обработкой растворами перекиси водорода, жидкого стекла и диэтилентриаминпентаацетата натрия (ДТПАNa₅) в волокнисто-костричную массу, размола волокнисто-костричной массы в дисковых рафинерах в массу грубого помола с выдержкой массы в первом реакторе перед первой ступенью размола и во втором реакторе после третьей ступени размола, разбавления массы грубого помола оборотной водой, выдержки разбавленной массы грубого помола для снятия латентности, размола разбавленной массы грубого помола в дисковых рафинерах, сгущения полученной массы, отличающийся тем, что:

- щепу обрабатывают раствором гидроксида натрия с расходом 4% от массы абсолютно сухой древесины (м.а.с.д.) концентрацией 5% и первой половиной задаваемого в процесс диэтилентриаминпентаацетата натрия (ДТПАNa₅) с расходом 0,2% от м.а.с.д., концентрацией 5%, в сочетании с прогревом реакционной смеси паром до температуры 70-80°С и выдержкой в течение 4-5 часов;

- размол щепы в двухшнековом экструдере Bi-Vis осуществляют при температуре 95-100°С и одновременной обработкой растворами первой половины задаваемой в процесс 27% перекиси водорода с расходом 1,5% от м.а.с.д., 29% жидкого стекла с расходом 4% от м.а.с.д. и второй половиной задаваемого в процесс диэтилентриаминпентаацетата натрия, с расходом 0,2% от м.а.с.д. концентрацией 5%, в волокнисто-костричную массу концентрацией 32-37%;

- размол волокнисто-костричной массы в массу грубого помола в дисковых рафинерах осуществляют при концентрации массы 32-37% последовательно в 3 ступени, выдержку массы в первом реакторе перед первой ступенью размола осуществляют в течение 20 мин, выдержку массы во втором реакторе осуществляют в реактор-башне после третьей ступени размола в течение 20 мин;

в волокнисто-костричную массу перед первой ступенью размола подают вторую половину задаваемой в процесс 27% перекиси водорода с расходом 1,5% от м.а.с.д.;

- разбавление массы грубого помола осуществляют до концентрации 8-9% оборотной водой, подогретой до температуры 70-80°С, при этом разбавленную массу выдерживают для снятия латентности в течение 15-20 мин;

- размол разбавленной массы грубого помола проводят до степени помола в интервале 30-40°ШР при концентрации 8-9% в дисковых рафинерах последовательно в 3 ступени;

- сгущение полученной массы осуществляют до сухости 37-50%.